Als Träger anderer Fahrzeugteile bestimmt die Fertigungstechnologie der Karosserie unmittelbar die Gesamtqualität des Fahrzeugs. Schweißen ist ein wichtiger Produktionsprozess bei der Karosseriefertigung. Zu den aktuell eingesetzten Schweißtechnologien zählen Widerstandspunktschweißen, MIG-Schweißen, MAG-Schweißen und Laserschweißen.
Als fortschrittliche Schweißtechnologie mit optisch-mechanischer Integration bietet die Laserschweißtechnologie im Vergleich zur herkömmlichen Karosserieschweißtechnik die Vorteile einer hohen Energiedichte, einer hohen Schweißgeschwindigkeit, geringer Schweißspannung und -verformung sowie einer guten Flexibilität.
Die Karosseriestruktur ist komplex, und die Karosserieteile bestehen hauptsächlich aus dünnwandigen und gekrümmten Komponenten. Das Schweißen von Autokarosserien ist mit Herausforderungen wie unterschiedlichen Karosseriematerialien, variierenden Wandstärken der Karosserieteile sowie unterschiedlichen Schweißrichtungen und Nahtformen verbunden. Darüber hinaus werden beim Karosserieschweißen hohe Anforderungen an die Schweißqualität und -effizienz gestellt.
Durch die Verwendung geeigneter Schweißprozessparameter gewährleistet das Laserschweißen eine hohe Dauerfestigkeit und Schlagzähigkeit wichtiger Karosserieteile und sichert so die Qualität und Lebensdauer der Schweißnähte. Die Laserschweißtechnologie eignet sich für das Schweißen von Karosserieteilen mit unterschiedlichen Verbindungsformen, Materialstärken und Werkstoffarten und erfüllt damit die Anforderungen an Flexibilität in der Karosseriefertigung. Daher ist die Laserschweißtechnologie ein wichtiges technisches Mittel für die qualitative Weiterentwicklung der Automobilindustrie.
Laserschweißverfahren für Automobilkarosserien
Funktionsprinzip des Laser-Tiefschweißens: Sobald die Laserleistungsdichte einen bestimmten Wert erreicht, verdampft die Materialoberfläche und bildet einen Schweißkanal. Wenn sich der Metalldampfdruck im Schweißkanal mit dem statischen Druck und der Oberflächenspannung der umgebenden Flüssigkeit im dynamischen Gleichgewicht befindet, kann der Laser durch den Schweißkanal hindurch bis zum Schweißkanalgrund vordringen. Durch die Bewegung des Laserstrahls entsteht eine durchgehende Schweißnaht. Beim Laser-Tiefschweißen ist die Zugabe von Flussmittel oder Zusatzwerkstoff nicht erforderlich, um das Werkstückmaterial zu einer Einheit zu verschweißen.
Die durch Lasertiefschweißen erzeugte Schweißnaht ist in der Regel glatt und gerade mit geringer Verformung, was die Fertigungsgenauigkeit der Karosserie verbessert. Die hohe Zugfestigkeit der Schweißnaht gewährleistet die Schweißqualität der Karosserie. Die hohe Schweißgeschwindigkeit trägt zur Steigerung der Produktionseffizienz bei.
Beim Karosserieschweißen kann das Lasertiefschweißen die Anzahl der benötigten Teile, Formen und Werkzeuge deutlich reduzieren und somit das Eigengewicht der Karosserie und die Produktionskosten senken. Allerdings reagiert das Lasertiefschweißen empfindlich auf Spaltmaße zwischen den zu verschweißenden Teilen. Diese müssen zwischen 0,05 und 2 mm liegen. Bei zu großen Spaltmaßen können Schweißfehler wie Poren auftreten.
Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen, dass beim Schweißen von Karosserieteilen aus demselben Material durch Optimierung der Prozessparameter beim Lasertiefschweißen eine Schweißnaht mit guter Oberflächenstruktur, wenigen inneren Defekten und hervorragenden mechanischen Eigenschaften erzielt werden kann. Die hervorragenden mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht erfüllen die Anforderungen an die Verwendung der geschweißten Karosserieteile. Allerdings ist das Lasertiefschweißen von Aluminiumlegierungen und Stahl als repräsentatives Beispiel für heterogene Metalle im Bereich des Karosserieschweißens noch nicht ausgereift. Zwar lässt sich durch das Hinzufügen einer Übergangsschicht eine hervorragende Schweißnahtleistung erzielen, doch der Einfluss verschiedener Übergangsschichtmaterialien auf die intermetallische Phase (IMC) und deren Auswirkungen auf die Mikrostruktur der Schweißnaht sind noch nicht vollständig geklärt und bedürfen weiterer eingehender Untersuchungen.
Laser-Drahtauftragschweißverfahren für Karosserien
Das Laser-Fülldrahtschweißen basiert auf folgendem Prinzip: Die Schweißverbindung entsteht durch Vorfüllen des Schweißraums mit einem speziellen Draht oder durch gleichzeitige Drahtzufuhr während des Laserschweißprozesses. Dies entspricht der Zufuhr einer annähernd homogenen Menge Drahtmaterial in das Schmelzbad beim Laser-Tiefschmelzschweißen. Die Abbildung unten veranschaulicht den Ablauf des Laser-Fülldrahtschweißens.
Im Vergleich zum Lasertiefschweißen bietet das Laserfüllschweißen zwei Vorteile beim Karosserieschweißen: Erstens kann es die Toleranz des Montagespalts zwischen den zu verschweißenden Karosserieteilen deutlich verbessern und das Problem des hohen erforderlichen Fasenspalts beim Lasertiefschweißen lösen; zweitens kann es die Gewebeverteilung im Schweißbereich durch die Verwendung von Drähten mit unterschiedlicher Zusammensetzung verbessern und dadurch die Schweißleistung regulieren.
Bei der Herstellung von Karosserieteilen wird das Laserauftragschweißen hauptsächlich zum Schweißen von Aluminiumlegierungen und Stahlteilen eingesetzt. Insbesondere beim Schweißen von Aluminiumlegierungen ist die Oberflächenspannung des Schmelzbades gering, was leicht zum Einsturz des Schmelzbades führen kann. Das Laserauftragschweißen kann dieses Problem durch das Aufschmelzen des Schweißdrahtes während des Schweißprozesses besser lösen.
Laserlötverfahren für Automobilkarosserien
Das Laserlötverfahren basiert auf folgendem Prinzip: Ein Laser dient als Wärmequelle. Der Laserstrahl wird fokussiert und auf die Oberfläche des Drahtes gerichtet. Der Draht schmilzt, das geschmolzene Material tropft herab und füllt das zu verschweißende Werkstück. Zwischen dem Lötmaterial und dem Werkstück treten metallurgische Prozesse wie Schmelzen und Diffusion auf, wodurch die Werkstücke verbunden werden. Im Gegensatz zum Laserauftragschweißen schmilzt beim Laserlöten nur der Draht, nicht aber das Werkstück. Laserlöten bietet eine gute Schweißstabilität, die Zugfestigkeit der resultierenden Schweißnaht ist jedoch gering. Abbildung 3 zeigt die Anwendung des Laserlötverfahrens beim Schweißen einer Kofferraumabdeckung im Automobilbereich.
Beim Karosserieschweißen wird das Laserlötverfahren hauptsächlich für Karosserieteile eingesetzt, die keine hohe Verbindungsfestigkeit erfordern, wie beispielsweise die Schweißung zwischen Dach und Seitenverkleidungen oder die Schweißung zwischen dem oberen und unteren Teil der Gepäckraumabdeckung. Das Dach von VW, Audi und anderen Mittelklasse- und Oberklassemodellen wird allesamt im Laserlötverfahren hergestellt.
Zu den Hauptfehlern bei lasergelöteten Verbindungen von Automobilkarosserien gehören Kantenausfransungen, Porosität, Schweißnahtverformung usw. Diese Fehler können durch die Regulierung der Prozessparameter und den Einsatz des Multifokus-Laserlötverfahrens deutlich reduziert werden.
Laser-Lichtbogen-Verbundschweißverfahren für Automobilkarosserien
Das Prinzip des Laser-Lichtbogen-Verbundschweißverfahrens ist wie folgt: Zwei Wärmequellen, Laser und Lichtbogen, wirken gleichzeitig auf die Oberfläche des zu verschweißenden Werkstücks ein. Das Werkstück schmilzt und erstarrt, wodurch eine Schweißnaht entsteht. Die Abbildung unten veranschaulicht den Laser-Lichtbogen-Schweißprozess.
Das Laser-Lichtbogen-Verbundschweißen vereint die Vorteile des Laser- und Lichtbogenschweißens: Erstens ermöglicht die Einwirkung zweier Wärmequellen eine höhere Schweißgeschwindigkeit, einen geringeren Wärmeeintrag und eine geringere Schweißnahtverformung bei gleichzeitiger Beibehaltung der Eigenschaften des Laserschweißens. Zweitens bietet es eine bessere Überbrückungsfähigkeit und eine größere Toleranz gegenüber Montagespalten. Drittens verlangsamt sich die Erstarrungsgeschwindigkeit des Schmelzbades, was die Beseitigung von Poren, Rissen und anderen Schweißfehlern begünstigt und die Struktur und Leistungsfähigkeit der Wärmeeinflusszone verbessert. Viertens ermöglicht der Lichtbogen das Schweißen von Werkstoffen mit hoher Reflektivität und hoher Wärmeleitfähigkeit und erweitert somit das Anwendungsspektrum.
Im Karosseriebau wird das Laser-Lichtbogen-Verbundschweißverfahren hauptsächlich zum Verschweißen von Aluminiumlegierungsbauteilen und ungleichen Metallen wie Aluminiumlegierung und Stahl eingesetzt. Bei größeren Schweißspalten, beispielsweise im Bereich der Autotüren, ist dies vorteilhaft für die Überbrückung durch das Laser-Lichtbogen-Verbundschweißen. Darüber hinaus wird die Laser-MIG-Lichtbogen-Verbundschweißtechnologie auch an den seitlichen Dachträgern der Audi-Karosserie angewendet.
Beim Karosserieschweißen bietet das Laser-Lichtbogen-Verbundschweißen gegenüber dem Einzellaserschweißen den Vorteil einer größeren Spalttoleranz. Allerdings erfordert es die umfassende Berücksichtigung der relativen Position von Laser und Lichtbogen, der Laser- und Lichtbogenparameter sowie weiterer Faktoren. Das Wärme- und Stofftransportverhalten beim Laser-Lichtbogenschweißen ist komplex, insbesondere die Energieregulierung beim Schweißen heterogener Materialien und der Mechanismus der IMC-Dicke und -Geweberegulierung sind noch nicht vollständig geklärt und bedürfen weiterer Forschung.
Weitere Laserschweißverfahren für Automobilkarosserien
Lasertiefschweißen, Laserauftragschweißen, Laserlöten und Laser-Lichtbogen-Verbundschweißen sowie weitere Schweißverfahren verfügen über eine ausgereifte Theorie und ein breites Anwendungsspektrum. Mit steigenden Anforderungen der Automobilindustrie an die Schweißeffizienz im Karosseriebau und dem wachsenden Bedarf an Schweißverfahren für unterschiedliche Werkstoffe im Leichtbau gewinnen Laserpunktschweißen, Laseroszillationsschweißen, Mehrlaserstrahlschweißen und Laserstrahlschweißen zunehmend an Bedeutung.
Laserpunktschweißverfahren
Laserpunktschweißen ist eine fortschrittliche Laserschweißtechnologie, die sich durch hohe Schweißgeschwindigkeit und -genauigkeit auszeichnet. Das Grundprinzip besteht darin, den Laserstrahl auf einen Punkt des zu verschweißenden Werkstücks zu fokussieren, sodass das Metall an diesem Punkt sofort schmilzt. Durch Anpassen der Laserdichte lässt sich entweder Wärmeleitungsschweißen oder Tiefenschmelzschweißen erzielen. Sobald der Laserstrahl abgeschaltet wird, erstarrt das flüssige Metall und bildet eine Verbindung.
Es gibt zwei Hauptverfahren des Laserpunktschweißens: das gepulste und das kontinuierliche Laserpunktschweißen. Beim gepulsten Laserpunktschweißen zeichnet sich der Laserstrahl durch eine hohe Spitzenenergie, aber eine kurze Einwirkzeit aus und wird daher hauptsächlich zum Schweißen von Leichtmetallen wie Magnesium- und Aluminiumlegierungen eingesetzt. Beim kontinuierlichen Laserpunktschweißen hingegen verfügt der Laserstrahl über eine hohe mittlere Leistung und eine lange Einwirkzeit und wird vorwiegend zum Schweißen von Stahl verwendet.
Beim Karosserieschweißen bietet das Laserpunktschweißen im Vergleich zum Widerstandspunktschweißen die Vorteile der berührungslosen und selbstgestalteten Punktschweißbahn. Dadurch kann der Bedarf an qualitativ hochwertigen Schweißnähten auch bei unterschiedlichen Überlappungsspalten der Karosseriematerialien gedeckt werden.
Laser-Oszillationsschweißverfahren
Das Laser-Oszillationsschweißen ist eine neue Laserschweißtechnologie, die in den letzten Jahren entwickelt wurde und große Beachtung gefunden hat. Das Prinzip dieser Technologie besteht darin, durch die Integration eines oszillierenden Spiegels in den Schweißkopf eine schnelle, geordnete und kleine Oszillation des Laserstrahls zu erzielen. Dadurch wird der Strahl während des Schweißvorgangs umgerührt.
Die wichtigsten Schwingungsbahnen beim Laser-Oszillationsschweißen umfassen: Querschwingung, Längsschwingung, Kreisschwingung und unendliche Schwingung. Das Laser-Oszillationsschweißen bietet erhebliche Vorteile beim Schweißen von Karosserien, da der Fließzustand des Schmelzbades durch die Oszillation des Laserstrahls maßgeblich verändert wird. Dadurch lassen sich nicht verschmolzene Stellen beseitigen, die Korngröße verfeinern und die Porosität beim Schweißen gleicher Karosseriewerkstoffe reduzieren. Zudem werden Probleme wie unzureichende Vermischung unterschiedlicher Werkstoffe und schlechte mechanische Eigenschaften der Schweißnaht beim Schweißen ungleicher Karosseriewerkstoffe verbessert.
Mehrlaserstrahl-Schweißverfahren
Aktuell können Faserlaser mithilfe eines im Schweißkopf installierten Strahlteilermoduls einen einzelnen Laserstrahl in mehrere Laserstrahlen aufteilen. Das Mehrstrahl-Schweißen entspricht dem Einsatz mehrerer Wärmequellen im Schweißprozess. Durch die Anpassung der Energieverteilung der Strahlen können verschiedene Funktionen erfüllt werden: Der Hauptstrahl mit höherer Energiedichte ist für das Tiefschmelzschweißen zuständig; der Nebenstrahl mit geringerer Energiedichte dient der Reinigung und Vorwärmung der Materialoberfläche und erhöht die Absorption der Laserstrahlenergie durch das Material.
Das Mehrlaserstrahl-Schweißverfahren kann das Verdampfungsverhalten des Zinkdampfes und das dynamische Verhalten des Schmelzbades beim Schweißen von verzinkten Stahlblechen verbessern, das Spritzerproblem verringern und die Zugfestigkeit der Schweißnaht erhöhen.
Laser-Flugschweißverfahren
Die Laserflugschweißtechnologie ist ein neuartiges Laserschweißverfahren mit hoher Schweißeffizienz und autonomer Schweißbahnsteuerung. Das Grundprinzip besteht darin, dass beim Auftreffen des Laserstrahls auf die X- und Y-Spiegel des Scanners der Winkel der Spiegel durch autonome Programmierung so gesteuert wird, dass der Laserstrahl in jedem beliebigen Winkel abgelenkt werden kann.
Traditionell basiert das Laserschweißen von Karosserien hauptsächlich auf dem Einsatz eines Schweißroboters, der den Laserschweißkopf synchron bewegt, um den Schweißeffekt zu erzielen. Die repetitive Hin- und Herbewegung des Schweißroboters schränkt jedoch die Effizienz des Karosserieschweißens aufgrund der großen Anzahl und Länge der Schweißnähte stark ein. Im Gegensatz dazu ermöglicht das Laser-Flugschweißen innerhalb eines bestimmten Bereichs die präzise Steuerung durch einfaches Anpassen des Reflektorwinkels. Daher kann die Laser-Flugschweißtechnologie die Schweißeffizienz deutlich steigern und bietet ein breites Anwendungsspektrum.
Zusammenfassung
Mit der Entwicklung der Automobilindustrie wird sich die Zukunft der Karosserieschweißtechnik sowohl im Bereich des Schweißprozesses als auch der intelligenten Technologie weiterentwickeln.
Die Entwicklung von Karosserien, insbesondere von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben, geht in Richtung Leichtbau. Leichtmetalllegierungen, Verbundwerkstoffe und heterogene Werkstoffe werden in der Automobilindustrie zunehmend eingesetzt. Da herkömmliche Laserschweißverfahren die Anforderungen an die Schweißung nur schwer erfüllen können, werden hochwertige und effiziente Schweißverfahren zum zukünftigen Entwicklungstrend.
In den letzten Jahren wurden neuartige Laserschweißverfahren wie das Laser-Schwenkschweißen, das Mehrlaserstrahlschweißen und das Laser-Flugschweißen hinsichtlich Schweißqualität und -effizienz zunächst theoretisch erforscht und verfahrenstechnisch optimiert. Zukünftig ist es notwendig, diese neuartigen Laserschweißverfahren eng mit den Anwendungen von Leichtbauwerkstoffen für den Automobilbau und dem Schweißen heterogener Werkstoffe zu verknüpfen. Dabei müssen Aspekte wie die Auslegung der Laserstrahl-Schwenkbahn, der Wirkungsmechanismus der Mehrlaserstrahlenergie und die Verbesserung der Flugschweißeffizienz eingehend untersucht werden, um ein ausgereiftes Schweißverfahren für den Leichtbau im Automobilbau zu entwickeln.
Die Laserschweißtechnologie für Karosserien wird zunehmend mit intelligenter Technologie integriert. Die Echtzeit-Erfassung des Schweißzustands und die Rückkopplungsregelung der Prozessparameter spielen eine entscheidende Rolle für die Schweißqualität. Aktuell wird die intelligente Laserschweißtechnologie hauptsächlich für die Schweißnahtplanung und -verfolgung sowie die Qualitätskontrolle nach dem Schweißen eingesetzt. Die Forschung zur Erkennung von Schweißfehlern und zur adaptiven Parameterregelung steckt im In- und Ausland noch in den Kinderschuhen, und die adaptive Regelung der Laserschweißprozessparameter findet in der Karosseriefertigung bisher keine Anwendung.
Für die Anwendung der Laserschweißtechnologie in den Eigenschaften des Karosserieschweißprozesses sollte die Zukunft daher mit einem fortschrittlichen, multisensorischen, intelligenten Laserschweiß-Sensorsystem und einem Hochgeschwindigkeits- und Hochpräzisions-Schweißroboter-Steuerungssystem entwickelt werden, um sicherzustellen, dass die intelligente Laserschweißtechnologie in Echtzeit und mit Genauigkeit in jedem Schritt durch den Schritt "Vorschweißbahnplanung - adaptive Steuerung der Schweißparameter - Online-Qualitätsprüfung nach dem Schweißen" eine hohe Qualität und effiziente Bearbeitung gewährleistet.
Die Firma Maven Laser Automation konzentriert sich seit 14 Jahren auf die Laserindustrie. Wir sind spezialisiert auf Laserschweißen und bieten Roboterarm-Laserschweißmaschinen, Tisch-Laserschweißmaschinen und Hand-Laserschweißmaschinen an. Darüber hinaus verfügen wir auch über Laserschweiß-, Laserschneid- und Lasermarkierungsmaschinen. Wir haben zahlreiche Anwendungsbeispiele für Laserschweißlösungen. Bei Interesse können Sie uns jederzeit kontaktieren.
Veröffentlichungsdatum: 09.12.2022
